În anii 1920, fizicienii nu mai aveau îndoieli cu privire la complexitatea structurii nucleelor ​​atomice descoperite de Rutherford în 1911. Acest fapt a fost indicat de un număr mare de experimente diferite efectuate la acel moment, cum ar fi:

• descoperirea fenomenului de radioactivitate,
• dovada experimentală a modelului nuclear al atomului,
• măsurarea raportului e m pentru un electron, o particulă α și pentru o particulă H, care este nucleul unui atom de hidrogen,
• descoperirea radioactivității artificiale și a reacțiilor nucleare,
• măsurarea sarcinilor nucleelor ​​atomice și a multor altele.

Ce particule alcătuiesc nucleele atomilor? În timpul nostru, este un fapt că nucleele atomilor diferitelor elemente constau din două tipuri de particule, adică neutroni și protoni. A doua dintre aceste particule este un atom de hidrogen care și-a pierdut singurul electron. O astfel de particulă a fost deja observată în experimentele lui J. Thomson din 1907. Omul de știință a putut să-și măsoare raportul em.

Definiția 1

E. Rutherford a descoperit în 1919 nuclee atomice de hidrogen în produsele de fisiune a nucleelor ​​atomice ale unui număr semnificativ de elemente. Fizicianul a numit particula găsită proton. El a sugerat că compoziția oricăruia dintre nucleele atomilor include protoni.

Schema experimentelor lui Rutherford este ilustrată în Figura 6. cinci . unu .

Figura 6. cinci . unu . Schema experimentelor lui Rutherford privind detectarea protonilor în produsele de fisiune nucleară. K este un recipient de plumb cu o sursă radioactivă de particule α, F este o folie metalică, E este un ecran acoperit cu sulfură de zinc, M este un microscop.

Dispozitivul lui Rutherford consta într-o cameră evacuată cu un container LA unde era sursa α -particule. Folie metalică, prezentată ca F, s-a suprapus pe fereastra camerei. Grosimea foliei a fost aleasă astfel încât să împiedice pătrunderea prin ea α -particule. În afara ferestrei era un paravan acoperit cu sulfură de zinc, în imaginea 6. cinci . 1 marcat cu litera E. Cu ajutorul unui microscop M, s-au putut observa fulgerări luminoase sau, așa cum se mai numesc și, scintilații în puncte, în punctele ecranului, în care se lovesc particulele încărcate grele.

În procesul de umplere a camerei cu azot la presiune scăzută, au fost detectate fulgerări de lumină pe ecran. Acest fenomen a indicat faptul că în condițiile experimentale există un flux de particule necunoscute care au capacitatea de a pătrunde printr-un flux aproape complet blocant. α -folie de particule F. Din când în când, scoțând ecranul din fereastra camerei, E. Rutherford a putut măsura lungime medie cale liberă a particulelor observate în aer. Valoarea obținută s-a dovedit a fi aproximativ egală cu 28 cm, ceea ce a coincis cu estimarea lungimii drumului particulelor de H observată mai devreme de J. Thomson.

Cu ajutorul studiilor privind efectul câmpurilor electrice și magnetice asupra particulelor scoase din nucleele de azot, s-au obținut date despre pozitivitatea sarcinii lor elementare. S-a dovedit, de asemenea, că masa unor astfel de particule este echivalentă cu masa nucleelor ​​atomilor de hidrogen.

Ulterior, experimentul a fost efectuat cu o serie de alte substanțe gazoase. În toate astfel de experimente efectuate s-a constatat că din nucleele lor α -particulele elimina particulele H sau protonii.

Conform măsurătorilor moderne, sarcina pozitivă a protonului este absolut echivalentă cu sarcina elementară e = 1,60217733 10 - 19 K l. Cu alte cuvinte, modulo este egal cu sarcina negativă a electronului. În timpul nostru, egalitatea sarcinilor protonului și electronului a fost verificată cu o precizie de 10 - 22. O astfel de coincidență a încărcăturii a două particule semnificativ diferite provoacă nedumerire sinceră și rămâne până astăzi unul dintre misterele fundamentale ale fizicii moderne.

Definiția 2

Pe baza măsurătorilor moderne, putem afirma că masa unui proton este egală cu mp = 1, 67262 10 - 27 kg. În condițiile fizicii nucleare, masa aparținând particulelor este adesea exprimată în unități de masă atomică (amu), egal cu masa unui atom de carbon cu număr de masă 12:

1 a. e.m. = 1,66057 10 - 27 kg

În consecință, m p \u003d 1, 007276 a. mânca.

Destul de des, expresia masei unei particule este cea mai convenabilă atunci când se utilizează valori de energie echivalente în conformitate cu următoarea formulă: E = m c 2 . Datorită faptului că 1 e V \u003d 1,60218 10 - 19 J, în unități de energie masa protonului este de 938,272331 M e V.

În consecință, experimentul lui Rutherford, care a descoperit fenomenul de scindare a nucleelor ​​de azot și a altor elemente ale tabelului periodic în condițiile impactului particulelor α rapide, a arătat, de asemenea, că protonii fac parte din nucleele atomice.

Ca urmare a descoperirii protonilor, unii fizicieni au venit cu presupunerea că noi particule nu fac doar parte din nucleele atomilor, ci sunt singurele sale elemente posibile. Cu toate acestea, datorită faptului că raportul dintre sarcina nucleului și masa sa nu rămâne constant pentru diferite nuclee, așa cum ar fi dacă nucleele ar include numai protoni, această presupunere a fost recunoscută ca insuportabilă. Pentru nucleele mai grele, acest raport se dovedește a fi mai mic decât pentru cele ușoare, din care rezultă că mergând către nuclee mai grele, masa nucleului crește mai repede decât sarcina.

În 1920, E. Rutherford a formulat o ipoteză despre prezența în compoziția nucleelor ​​a unei anumite perechi compacte legate rigid, formată dintr-un electron și un proton. În înțelegerea omului de știință, acest fascicul era o formațiune neutră din punct de vedere electric ca o particulă cu o masă practic echivalentă cu masa unui proton. De asemenea, a venit cu un nume pentru această particulă ipotetică, Rutherford a vrut să o numească neutron. Din păcate, această idee, în ciuda frumuseții sale, a fost eronată. S-a descoperit că un electron nu poate face parte dintr-un nucleu. Un calcul mecanic cuantic bazat pe relația de incertitudine arată că un electron localizat în nucleu, adică o regiune cu dimensiunea R ≈ 10 - 13 cm, trebuie să aibă o valoare incredibilă. energie kinetică, care este cu multe ordine de mărime mai mare decât energia de legare a nucleelor ​​pe particulă.

Ideea existenței unei particule grele încărcate neutru în nucleu a fost extrem de atractivă pentru Rutherford. Omul de știință a apelat imediat la un grup de studenți ai săi, condus de J. Chadwick, cu o propunere de a o căuta. După 12 ani, în 1932, Chadwick a petrecut studiu pilot radiații care apar în condiții de iradiere a beriliului cu particule α. În acest proces, el a descoperit că această radiație este un flux de particule neutre cu o masă aproape echivalentă cu cea a unui proton. Astfel a fost descoperit neutronul. Figura 6. cinci . 2 ilustrează o diagramă simplificată a unei configurații pentru detectarea neutronilor.

Figura 6. cinci . 2. Schema instalatiei de detectare a neutronilor.

În procesul de bombardare a beriliului cu particule α emise de poloniul radioactiv, apare o radiație puternică penetrantă, capabilă să treacă printr-un obstacol sub forma unui strat de plumb de 10-20 cm. Această radiație a fost descoperită aproape în același timp cu Chadwick, fiica lui Marie și Pierre Curie, Irene și Frederic Joliot-Curie, dar ei au sugerat că acestea sunt raze γ de înaltă energie. Ei au observat că, dacă o placă de parafină este instalată pe calea radiației de beriliu, atunci capacitatea de ionizare a acestei radiații crește brusc. Cuplul a dovedit că radiațiile de beriliu elimină parafina în în număr mare protonii prezenți în substanța dată care conține hidrogen. Folosind valoarea căii libere medii a protonilor în aer, oamenii de știință au estimat energia γ-quanta, care au capacitatea de a conferi viteza dorită protonilor în condiții de coliziune. Valoarea energetică obținută în urma evaluării s-a dovedit a fi uriașă - aproximativ 50 MeV.

În 1932, J. Chadwick a efectuat o serie întreagă de experimente care vizează un studiu cuprinzător al proprietăților radiațiilor care apar atunci când beriliul este iradiat cu particule α. În experimentele sale, Chadwick a folosit diverse metode pentru studierea radiațiilor ionizante.

Definiția 3

Figura 6. cinci . 2 ilustrat Contor Geiger, un instrument folosit pentru a detecta particulele încărcate.

Acest dispozitiv constă dintr-un tub de sticlă acoperit la interior cu un strat de metal (catod) și un fir subțire care trece de-a lungul axei tubului (anod). Tubul este umplut cu un gaz inert, de obicei argon, la presiune scăzută. O particulă încărcată în procesul de mișcare într-un gaz provoacă ionizarea moleculelor.

Definiția 4

Electronii liberi rezultați din ionizare sunt accelerați câmp electricîntre anod şi catod până la energiile la care începe fenomenul de ionizare de impact. Apare o avalanșă de ioni și un scurt impuls de curent de descărcare trece prin contor.

Definiția 5

Un alt instrument de mare importanță pentru studiul particulelor este camera cu nori, în care o particulă încărcată rapid lasă o urmă sau, așa cum se mai spune, o urmă.

Traiectoria particulelor poate fi fotografiată sau observată direct. Fundamentul funcționării camerei de nor creată în 1912 este fenomenul de condensare a vaporilor suprasaturați pe ionii care se formează în volumul de lucru al camerei de-a lungul traiectoriei unei particule încărcate. Folosind o cameră cu nori, devine posibil să se observe curbura traiectoriei unei particule încărcate în câmpuri electrice și magnetice.

Dovada 1

În experimentele sale, J. Chadwick a observat urme de nuclee de azot care s-au ciocnit cu radiația de beriliu într-o cameră cu nori. Pe baza acestor experimente, omul de știință a estimat energia cuantumului γ, care este capabil să informeze nucleii de azot cu privire la viteza observată în experiment. Valoarea obținută a fost de 100 - 150 MeV. γ-quanta emisă de beriliu nu putea avea o energie atât de mare. Pornind de la acest fapt, Chadwick a concluzionat că din beriliu, sub influența particulelor α, nu zboară γ-quanta fără masă, ci mai degrabă particule grele. Aceste particule posedau o putere de penetrare considerabilă și nu ionizau direct gazul din contorul Geiger; prin urmare, erau neutre din punct de vedere electric. Astfel, s-a dovedit existența neutronului, particula prezisă de Rutherford cu mai bine de 10 ani înainte de experimentele lui Chadwick.

Definiția 6

Neutroni este o particulă elementară. Reprezentarea sa ca o pereche compactă proton-electron, așa cum a presupus Rutherford inițial, va fi eronată.

Pe baza rezultatelor măsurătorilor moderne, putem spune că masa neutronului m n = 1,67493 10 - 27 kg g = 1,008665 a.u. mânca.

În unități de energie, masa unui neutron este echivalentă cu 939,56563 MeV. Masa unui neutron este cu aproximativ două mase de electroni mai mare decât masa unui proton.

Imediat după descoperirea neutronului, omul de știință rus D. D. Ivanenko, împreună cu fizicianul german W. Heisenberg, au prezentat o ipoteză despre structura proton-neutron a nucleelor ​​atomice, care a fost pe deplin confirmată de studiile ulterioare.

Definiția 7

Se numesc protoni și neutroni nucleonii.

Sunt introduse o serie de notații pentru a caracteriza nucleele atomice.

Definiția 8

Numărul de protoni care formează nucleul atomic este notat cu simbolul Z și se numește numărul de taxare sau numărul atomic(acesta este numărul de serie în tabelul periodic Mendeleev).

Sarcina nucleară este Z e , unde e este sarcina elementară. Numărul de neutroni este notat cu simbolul N.

Definiția 9

Numărul total de nucleoni (adică protoni și neutroni) se numește numărul de masă nucleară A:

Definiția isotope concept

Nucleele elementelor chimice sunt notate cu simbolul X Z A , unde X este simbolul chimic al elementului. De exemplu,
H 1 1 - hidrogen, He 2 4 - heliu, C 6 12 - carbon, O 8 16 - oxigen, U 92 238 - uraniu.

Definiția 10

Numărul de neutroni din nucleele acestuia element chimic poate fi diferit. Astfel de nuclee se numesc izotopi.

Majoritatea elementelor chimice au mai mulți izotopi. De exemplu, hidrogenul are trei dintre ele: H 1 1 - hidrogen obișnuit, H 1 2 - deuteriu și H 1 3 - tritiu. Carbonul are 6 izotopi, oxigenul are 3.

Elemente chimice în conditii naturale cel mai adesea sunt un amestec de izotopi. Existența izotopilor determină valoarea masei atomice a unui element natural în sistemul periodic al lui Mendeleev. Deci, de exemplu, relativ masă atomică carbonul natural este egal cu 12,011.

Dacă observați o greșeală în text, vă rugăm să o evidențiați și să apăsați Ctrl+Enter

Este nucleul atomic divizibil? Și dacă da, din ce particule constă? Mulți fizicieni au încercat să răspundă la această întrebare.

În 1909, fizicianul britanic Ernest Rutherford, împreună cu fizicianul german Hans Geiger și cu fizicianul neo-zeelandez Ernst Marsden, au efectuat faimosul său experiment privind împrăștierea particulelor α, care a dus la concluzia că atomul nu este o particulă indivizibilă la toate. Este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni care se rotesc în jurul lui. Mai mult, în ciuda faptului că dimensiunea nucleului este de aproximativ 10.000 de ori mai mică decât dimensiunea atomului în sine, 99,9% din masa atomului este concentrată în el.

Dar care este nucleul unui atom? Ce particule sunt în el? Acum știm că nucleul oricărui element este format din protoniȘi neutroni, al cărui nume comun este nucleonii. Și la începutul secolului al XX-lea, după apariția modelului planetar, sau nuclear, al atomului, acesta a fost un mister pentru mulți oameni de știință. Au fost înaintate diferite ipoteze și au fost propuse diferite modele. Dar răspunsul corect la această întrebare a fost din nou dat de Rutherford.

Descoperirea protonului

experiența lui Rutherford

Nucleul unui atom de hidrogen este un atom de hidrogen din care singurul său electron a fost îndepărtat.

Până în 1913, masa și sarcina nucleului atomului de hidrogen fuseseră calculate. În plus, a devenit cunoscut faptul că masa unui atom al oricărui element chimic este întotdeauna împărțită fără rest la masa unui atom de hidrogen. Acest fapt l-a condus pe Rutherford la ideea că nucleele atomilor de hidrogen intră în orice nucleu. Și a reușit să o demonstreze experimental în 1919.

În experimentul său, Rutherford a plasat o sursă de particule α într-o cameră în care a fost creat un vid. Grosimea foliei care acoperă fereastra camerei a fost astfel încât particulele α nu puteau scăpa. În afara ferestrei camerei era un ecran acoperit cu sulfură de zinc.

Când camera a fost umplută cu azot, scăpări de lumină au fost înregistrate pe ecran. Aceasta a însemnat că, sub influența particulelor α, unele particule noi au fost scoase din azot, care au pătruns ușor în folie, care era impenetrabilă pentru particulele α. S-a dovedit că particulele necunoscute au o sarcină pozitivă egală ca mărime cu sarcina unui electron, iar masa lor este egală cu masa nucleului unui atom de hidrogen. Rutherford a numit aceste particule protoni.

Dar curând a devenit clar că nucleele atomilor constau nu numai din protoni. La urma urmei, dacă ar fi așa, atunci masa unui atom ar fi egală cu suma maselor de protoni din nucleu, iar raportul dintre sarcina nucleului și masa ar fi o valoare constantă. De fapt, acest lucru este valabil doar pentru cel mai simplu atom de hidrogen. În atomii altor elemente, totul este diferit. De exemplu, în nucleul unui atom de beriliu, suma maselor de protoni este de 4 unități, iar masa nucleului în sine este de 9 unități. Aceasta înseamnă că în acest nucleu există și alte particule care au o masă de 5 unități, dar nu au sarcină.

Descoperirea neutronului

În 1930, fizicianul german Walter Bothe Bothe și Hans Becker au descoperit în timpul unui experiment că radiația rezultată din bombardarea atomilor de beriliu cu particule α are o putere de penetrare enormă. După 2 ani, fizicianul englez James Chadwick, elev al lui Rutherford, a aflat că nici măcar o placă de plumb de 20 cm grosime plasată în calea acestei radiații necunoscute nu o slăbește și nici nu o amplifică. S-a dovedit că câmpul electromagnetic nu are niciun efect asupra particulelor emise. Asta însemna că nu aveau nicio taxă. Astfel, a fost descoperită o altă particulă, care face parte din nucleu. Au sunat-o neutroni. Masa neutronilor s-a dovedit a fi egal cu masa proton.

Teoria proton-neutron a nucleului

După descoperirea experimentală a neutronului, omul de știință rus D. D. Ivanenko și fizicianul german W. Heisenberg au propus independent teoria proton-neutron a nucleului, care a dat rațiune științifică compoziția nucleului. Conform acestei teorii, nucleul oricărui element chimic este format din protoni și neutroni. Numele lor comun este nucleonii.

Numărul total de nucleoni din nucleu este notat cu literă A. Dacă numărul de protoni din nucleu este notat cu literă Z, și numărul de neutroni după literă N, atunci obținem expresia:

A=Z+N

Această ecuație se numește Ecuația Ivanenko-Heisenberg.

Deoarece sarcina nucleului unui atom este egală cu numărul de protoni din acesta, atunci Z numit si numărul de taxare. Numărul de sarcină, sau numărul atomic, coincide cu numărul său de serie în sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev.

În natură, există elemente Proprietăți chimice care sunt exact aceleași, dar numerele de masă sunt diferite. Astfel de elemente sunt numite izotopi. Izotopii au același număr de protoni și cantitate diferită neutroni.

De exemplu, hidrogenul are trei izotopi. Toate au un număr de serie egal cu 1, iar numărul de neutroni din nucleu este diferit pentru ei. Deci, cel mai simplu izotop al hidrogenului, protium, are un număr de masă de 1, în nucleu există 1 proton și nu un singur neutron. Este cel mai simplu element chimic.

O caracteristică a contaminării radioactive, spre deosebire de contaminarea cu alți poluanți, este că nu radionuclidul (poluantul) în sine are un efect dăunător asupra oamenilor și obiectelor din mediu, ci radiația, sursa căreia este.

Cu toate acestea, există cazuri când un radionuclid este un element toxic. De exemplu, după accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl în mediu inconjurator plutoniul 239, 242 Pu au fost aruncați cu particule de combustibil nuclear. Pe lângă faptul că plutoniul este un emițător alfa și prezintă un pericol semnificativ atunci când intră în organism, plutoniul în sine este un element toxic.

Din acest motiv, se folosesc două grupe de indicatori cantitativi: 1) pentru a evalua conținutul de radionuclizi și 2) pentru a evalua impactul radiațiilor asupra unui obiect.
Activitate- o măsură cantitativă a conținutului de radionuclizi din obiectul analizat. Activitatea este determinată de numărul de descompuneri radioactive ale atomilor pe unitatea de timp. Unitatea de activitate SI este Becquerel (Bq) egal cu o dezintegrare pe secunda (1Bq = 1 dezintegrare/s). Uneori se folosește o unitate de măsurare a activității în afara sistemului - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Doza de radiații este o măsură cantitativă a impactului radiației asupra unui obiect.
Datorită faptului că impactul radiațiilor asupra unui obiect poate fi evaluat la diferite niveluri: fizic, chimic, biologic; la nivelul moleculelor, celulelor, ţesuturilor sau organismelor individuale, etc. se folosesc mai multe tipuri de doze: absorbite, echivalente efective, expunere.

Pentru a evalua modificarea dozei de radiații în timp, se utilizează indicatorul „rata de doză”. Rata dozei este raportul dintre doză și timp. De exemplu, rata dozei de expunere externă de la surse naturale de radiații în Rusia este de 4-20 μR/h.

Principalul standard pentru om - limita principală de doză (1 mSv/an) - este introdus în unități de doză echivalentă efectivă. Există standarde în unități de activitate, niveluri de poluare a terenurilor, VDU, GWP, SanPiN etc.

Structura nucleului atomic.

Un atom este cea mai mică particulă a unui element chimic care își păstrează toate proprietățile. Structura unui atom este sistem complex, constând dintr-un nucleu încărcat pozitiv de o dimensiune foarte mică (10 -13 cm) situat în centrul atomului și electroni încărcați negativ care se rotesc în jurul nucleului pe diferite orbite. Sarcina negativă a electronilor este egală cu sarcina pozitivă a nucleului, în timp ce în general se dovedește a fi neutră din punct de vedere electric.

Nucleele atomice sunt formate din nucleoni - protoni nucleari ( Z- numărul de protoni) și neutronii nucleari (N este numărul de neutroni). Protonii și neutronii „nucleari” diferă de particulele în stare liberă. De exemplu, un neutron liber, spre deosebire de unul legat dintr-un nucleu, este instabil și se transformă într-un proton și un electron.

Numărul de nucleoni Am (numărul de masă) este suma numerelor de protoni și neutroni: Am = Z + N.

proton - particulă elementară a oricărui atom, are o sarcină pozitivă egală cu sarcina unui electron. Numărul de electroni din învelișul unui atom este determinat de numărul de protoni din nucleu.

neutroni - un alt tip de particule nucleare din toate elementele. Este absent doar în nucleul de hidrogen ușor, care constă dintr-un proton. Nu are încărcare și este neutru din punct de vedere electric. În nucleul atomic, neutronii sunt stabili, în timp ce în stare liberă sunt instabili. Numărul de neutroni din nucleele atomilor aceluiași element poate fluctua, astfel încât numărul de neutroni din nucleu nu caracterizează elementul.

Nucleonii (protoni + neutroni) sunt ținuți în interiorul nucleului atomic de forțele nucleare de atracție. Forțele nucleare sunt de 100 de ori mai puternice decât forțele electromagnetice și, prin urmare, păstrează protonii încărcați la fel în interiorul nucleului. Forțele nucleare se manifestă doar la distanțe foarte mici (10 -13 cm), sunt energie potențială legătura nucleului, care se eliberează parțial în timpul unor transformări, trece în energie cinetică.

Pentru atomii care diferă în compoziția nucleului, se folosește denumirea de „nuclizi”, iar pentru atomii radioactivi - „radionuclizi”.

Nuclizi numiți atomi sau nuclee cu un număr dat de nucleoni și o sarcină dată a nucleului (nuclid desemnare A X).

Nuclizii care au același număr de nucleoni (Am = const) se numesc izobare. De exemplu, nuclizii 96 Sr, 96 Y, 96 Zr aparțin unei serii de izobare cu numărul de nucleoni Am = 96.

Nuclizi care au același număr de protoni (Z= const) sunt numite izotopi. Diferă doar prin numărul de neutroni, prin urmare aparțin aceluiași element: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

izotopi- nuclizi cu același număr de neutroni (N = Am -Z = const). Nuclizii: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca aparțin seriei izotopilor cu 20 de neutroni.

Izotopii sunt de obicei notați ca Z X M, unde X este simbolul unui element chimic; M este numărul de masă egal cu suma numărului de protoni și neutroni din nucleu; Z este numărul atomic sau sarcina nucleului, egală cu numărul protoni din nucleu. Deoarece fiecare element chimic are propriul său număr atomic constant, acesta este de obicei omis și limitat la scrierea doar a numărului de masă, de exemplu: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr etc.

Atomii nucleului care au aceleași numere de masă, dar sarcini diferite și, în consecință, proprietăți diferite sunt numiți "izobare", de exemplu, unul dintre izotopii de fosfor are un număr de masă de 32 - 15 Р 32, unul dintre izotopii de sulf. are același număr de masă - 16 S 32 .

Nuclizii pot fi stabili (dacă nucleii lor sunt stabili și nu se descompun) sau instabili (dacă nucleii lor sunt instabili și suferă modificări care în cele din urmă cresc stabilitatea nucleului). Se numesc nuclee atomice instabile care se pot descompune spontan radionuclizi. Fenomenul de dezintegrare spontană a nucleului unui atom, însoțit de emisia de particule și (sau) radiații electromagnetice, se numește radioactivitate.

Ca urmare a descompunerii radioactive, se pot forma atât un izotop stabil, cât și unul radioactiv, la rândul lor, dezintegrandu-se spontan. Se numesc astfel de lanțuri de elemente radioactive legate printr-o serie de transformări nucleare familii radioactive.

În prezent, IUPAC (Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată) a denumit oficial 109 elemente chimice. Dintre aceștia, doar 81 au izotopi stabili, dintre care cel mai greu este bismutul. (Z= 83). Pentru restul de 28 de elemente se cunosc doar izotopi radioactivi, cu uraniu (u~ 92) este cel mai greu element găsit în natură. Cel mai mare dintre nuclizi naturali are 238 de nucleoni. În total, existența a aproximativ 1700 de nuclizi din aceste 109 elemente a fost acum dovedită, numărul de izotopi cunoscuți pentru elementele individuale variind de la 3 (pentru hidrogen) la 29 (pentru platină).

Compoziția și caracteristicile nucleului atomic.

Nucleul celui mai simplu atom - atomul de hidrogen - este format dintr-o particulă elementară numită proton. Nucleele tuturor celorlalți atomi constau din două tipuri de particule elementare - protoni și neutroni. Aceste particule se numesc nucleoni.

Proton . Protono (p) are sarcină +e și masă

mp = 938,28 MeV

Pentru comparație, indicăm că masa unui electron este egală cu

m e = 0,511 MeV

Din comparație rezultă că m p = 1836m e

Protonul are un spin egal cu jumătate (s= ) și propriul său moment magnetic

O unitate de moment magnetic numită magneton nuclear. Dintr-o comparație a maselor de protoni și electroni, rezultă că μ i este de 1836 de ori mai mic decât magnetonul Bohr μ b. În consecință, momentul magnetic intrinsec al protonului este de aproximativ 660 de ori mai mic decât momentul magnetic al electronului.

Neutroni . Neutronul (n) a fost descoperit în 1932 de un fizician englez

D. Chadwick. Sarcina electrică a acestei particule este zero, iar masa

mn = 939,57 MeV

foarte aproape de masa protonului. Diferența de masă a neutronilor și a protonilor (m n –m p)

este 1,3 MeV, adică 2,5 eu.

Neutronul are un spin egal cu jumătate (s= ) și (în ciuda absenței unei sarcini electrice) propriul său moment magnetic

μ n = - 1,91μ i

(semnul minus indică faptul că direcțiile momentelor intrinseci mecanice și magnetice sunt opuse). O explicație a acestui fapt uimitor va fi dată mai târziu.

Rețineți că raportul valorilor experimentale ale μ p și μ n cu un grad ridicat de precizie este egal cu - 3/2. Acest lucru s-a observat abia după ce o asemenea valoare a fost obținută teoretic.

În stare liberă, neutronul este instabil (radioactiv) - se descompune spontan, transformându-se într-un proton și emițând un electron (e -) și o altă particulă numită antineutrino
. Timpul de înjumătățire (adică timpul necesar pentru ca jumătate din numărul inițial de neutroni să se descompună) este de aproximativ 12 minute. Schema de dezintegrare poate fi scrisă după cum urmează:

Masa în repaus a antineutrinului este zero. Masa unui neutron este mai mare decât masa unui proton cu 2,5 m e . În consecință, masa neutronului depășește masa totală a particulelor care apar în partea dreaptă a ecuației cu 1,5 m e , i.e. cu 0,77 MeV. Această energie este eliberată în timpul dezintegrarii unui neutron sub forma energiei cinetice a particulelor rezultate.

Caracteristicile nucleului atomic . Una dintre cele mai importante caracteristici ale nucleului atomic este numărul de sarcină Z. Este egal cu numărul de protoni care alcătuiesc nucleul și determină sarcina acestuia, care este egală cu + Z e . Numărul Z determină numărul ordinal al unui element chimic din tabelul periodic al lui Mendeleev. Prin urmare, se mai numește și numărul atomic al nucleului.

Numărul de nucleoni (adică numărul total de protoni și neutroni) din nucleu este notat cu litera A și se numește numărul de masă al nucleului. Numărul de neutroni din nucleu este N=A-Z.

Simbolul folosit pentru a desemna nucleele

unde X este simbolul chimic al elementului. În stânga sus este numărul de masă, în stânga jos este numărul atomic (ultima pictogramă este adesea omisă). Uneori, numărul de masă este scris nu în stânga, ci în dreapta simbolului elementului chimic

Se numesc nuclee cu același Z, dar cu A diferit izotopi. Majoritatea elementelor chimice au mai mulți izotopi stabili. De exemplu, oxigenul are trei izotopi stabili:

, staniul are zece și așa mai departe.

Hidrogenul are trei izotopi:

- hidrogen obișnuit, sau protiu (Z=1, N=0),

- hidrogen greu sau deuteriu (Z=1, N=1),

– tritiu (Z=1, N=2).

Protiul și deuteriul sunt stabili, tritiul este radioactiv.

Se numesc nuclee cu același număr de masă A izobare. Un exemplu este
Și
. Se numesc nuclee cu același număr de neutroni N = A – Z izotonii (
,
În cele din urmă, există nuclee radioactive cu aceleași Z și A, care diferă ca timp de înjumătățire. Sunt chemați izomerii. De exemplu, există doi izomeri ai nucleului
, unul dintre ele are un timp de înjumătățire de 18 minute, celălalt - 4,4 ore.

Sunt cunoscuți aproximativ 1500 de nuclee, care diferă fie prin Z, fie A, sau ambele. Aproximativ 1/5 din aceste nuclee sunt stabile, restul sunt radioactive. Multe nuclee au fost obținute artificial folosind reacții nucleare.

Elementele cu număr atomic Z de la 1 la 92 se găsesc în natură, excluzând tehnețiul (Tc, Z = 43) și prometiu (Pm, Z = 61). Plutoniul (Pu, Z = 94), după ce a fost obținut artificial, a fost găsit în cantități neglijabile într-un mineral natural - amestec de rășini. Restul elementelor transuraniu (adică transuraniu) (cZ de la 93 la 107) au fost obținute artificial prin diferite reacții nucleare.

Elementele transuraniu curiu (96 Cm), einsteiniu (99 Es), fermiu (100 Fm) și mendeleviu (101 Md) au fost numite în onoarea oamenilor de știință proeminenți II. și M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi și D.I. Mendeleev. Lawrencium (103 Lw) este numit după inventatorul ciclotronului, E. Lawrence. Kurchatovy (104 Ku) și-a primit numele în onoarea remarcabilului fizician I.V. Kurchatov.

Unele elemente transuraniu, inclusiv kurchatovium și elementele numerotate 106 și 107, au fost obținute la Laboratorul de Reacții Nucleare al Institutului Comun de Cercetare Nucleară din Dubna de către omul de știință.

N.N. Flerov și personalul său.

Dimensiunile miezului . În prima aproximare, nucleul poate fi considerat o sferă, a cărei rază este determinată destul de precis de formula

(fermi este numele unității de lungime folosită în fizica nucleară, egală cu

10 -13 cm). Din formula rezultă că volumul nucleului este proporțional cu numărul de nucleoni din nucleu. Astfel, densitatea materiei în toate nucleele este aproximativ aceeași.

Spinul nucleului . Spiriile nucleonilor se adună la spinul rezultat al nucleului. Spinul nucleonului este 1/2. Prin urmare, numărul cuantic al spinului nuclear va fi jumătate întreg pentru un număr impar de nucleoni A și întreg sau zero pentru un A par. Spiriurile nucleelor ​​nu depășesc câteva unități. Acest lucru indică faptul că spinurile majorității nucleonilor din nucleu se anulează reciproc, fiind antiparalele. Toate nucleele pare-pare (adică un nucleu cu un număr par de protoni și un număr par de neutroni) au spin zero.

Momentul mecanic al nucleului M J se adaugă momentului învelișului de electroni
în momentul unghiular total al atomului M F , care este determinat de numărul cuantic F.

Interacțiunea momentelor magnetice ale electronilor și nucleului conduce la faptul că stările atomului corespunzătoare diferitelor orientări reciproce M J și
(adică F diferit) au energii ușor diferite. Interacțiunea momentelor μ L și μ S determină structura fină a spectrelor. Interacțiuneμ J și se determină structura hiperfină a spectrelor atomice. Divizarea liniilor spectrale corespunzătoare structurii hiperfine este atât de mică (de ordinul a câteva sutimi de angstrom) încât poate fi observată doar cu instrumente cu cea mai mare putere de rezoluție.

Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni din jur. Nucleele atomice au dimensiuni de aproximativ 10 -14 ... 10 -15 m (dimensiunile liniare ale unui atom sunt de 10 -10 m).

nucleul atomic este format din particule elementare protoni si neutroni. Modelul proton-neutron al nucleului a fost propus de fizicianul rus D. D. Ivanenko, iar ulterior dezvoltat de V. Heisenberg.

proton ( R) are o sarcină pozitivă egală cu cea a unui electron și o masă în repaus T p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, Unde m e este masa electronului. neutroni ( n)-particulă neutră cu masă în repaus m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Masa protonilor și neutronilor este adesea exprimată în alte unități - în unități de masă atomică (a.m.u., o unitate de masă egală cu 1/12 din masa unui atom de carbon
). Masele protonului și neutronului sunt aproximativ egale cu o unitate de masă atomică. Se numesc protoni și neutroni nucleonii(din lat. nucleu-nucleu). Numărul total de nucleoni dintr-un nucleu atomic se numește număr de masă DAR).

Razele nucleelor ​​cresc cu creșterea numărului de masă conform relației R= 1,4DAR 1/3 10 -13 cm.

Experimentele arată că nucleele nu au granițe ascuțite. Există o anumită densitate a materiei nucleare în centrul nucleului și scade treptat la zero odată cu creșterea distanței față de centru. Din cauza lipsei unei limite bine definite a nucleului, „raza” acestuia este definită ca distanța de la centrul la care densitatea materiei nucleare este înjumătățită. Distribuția medie a densității materiei pentru majoritatea nucleelor ​​se dovedește a fi nu doar sferică. Majoritatea nucleelor ​​sunt deformate. Adesea nucleii sunt sub formă de elipsoide alungite sau turtite.

Nucleul atomic este caracterizat încărcaZe, Unde Znumărul de taxare nucleu, egal cu numărul de protoni din nucleu și care coincide cu numărul de serie al elementului chimic din Sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev.

Nucleul este notat cu același simbol ca atomul neutru:
, Unde X- simbolul unui element chimic, Z numărul atomic (numărul de protoni din nucleu), DAR- numărul de masă (numărul de nucleoni din nucleu). Numar de masa DAR aproximativ egală cu masa nucleului în unități de masă atomică.

Deoarece atomul este neutru, sarcina nucleului Z determină numărul de electroni dintr-un atom. Numărul de electroni depinde de distribuția între stările atomului. Sarcina nucleului determină specificul unui element chimic dat, adică determină numărul de electroni dintr-un atom, configurația învelișurilor lor de electroni, mărimea și natura câmpului electric intraatomic.

Nuclei cu aceleași numere de încărcare Z, dar cu numere de masă diferite DAR(adică cu numere diferite de neutroni N=A-Z) se numesc izotopi, iar nucleele cu aceiași DAR, dar diferit Z- izobare. De exemplu, hidrogenul ( Z= l) are trei izotopi: H - protium ( Z=l, N= 0), H - deuteriu ( Z=l, N= 1), H - tritiu ( Z=l, N\u003d 2), staniu - zece izotopi etc. În marea majoritate a cazurilor, izotopii aceluiași element chimic au aceleași proprietăți chimice și aproape aceleași fizice.

E, MeV

Niveluri de energie

și s-au observat tranziții pentru nucleul atomului de bor

Teoria cuantică limitează strict valorile energetice pe care le pot avea părțile constitutive ale nucleelor. Seturile de protoni și neutroni din nuclee pot fi doar în anumite stări de energie discrete caracteristice unui izotop dat.

Atunci când un electron trece de la o stare de energie superioară la una mai scăzută, diferența de energie este emisă sub forma unui foton. Energia acestor fotoni este de ordinul mai multor electroni volți. Pentru nuclee, energiile de nivel se află în intervalul de la aproximativ 1 la 10 MeV. În timpul tranzițiilor între aceste niveluri, sunt emiși fotoni de energii foarte mari (γ-quanta). Pentru a ilustra astfel de tranziții în Fig. 6.1 prezintă primele cinci niveluri de energie ale nucleului
.Liniile verticale indică tranzițiile observate. De exemplu, un γ-cuantic cu o energie de 1,43 MeV este emis în timpul tranziției nucleului de la o stare cu o energie de 3,58 MeV la o stare cu o energie de 2,15 MeV.